SiC棚板收缩缝填料的研究

     1、前言
     SiC基体由于具有良好的化学稳定性、优良的耐磨性和优异的高温性能，故以SiC为基体的耐火材料已被广泛地应用于工业各领域。在陶瓷工业中，尤其是随着梭式窑的不断推广应用，SiC棚板也得到广泛的使用。 作为以SiC为基体的棚板，因其在使用过程中的热胀冷缩，容易造成断裂或裂缝，故国内外SiC棚板均有按黄金分割律（按不同产品的规格、尺寸，按不同类型的结合剂，按不同类型的微观结构和宏观物化指标，而多因素优选）设定的收缩缝，解决了这一缺陷，并延长了SiC棚板的使用寿命。 在SiC棚板收缩缝的反面，也带来一定的负效应。例如由于收缩缝的存在，在烧造日用陶瓷时，容易造成落碴和粉尘污染，而降低烧造质量，减少正品率；与此同时，烧造时，火焰易窜过收缩缝，造成上层温度的波动和不均匀，也会影响制品质量，故开发和应用优质的收缩缝填料完全必要。 在国外有些国家和我国台湾省所生产的SiC棚板，其产品收缩缝均有填料，而国内生产的SiC棚板收缩缝填料尚属空白。基于以上原因，我们进行了"SiC棚板收缩缝填料"的研究，并取得了成功且投入了大生产，还用于出口韩国的SiC棚板。
     2、试验过程
     2.1 填料必须具备的条件
     （1）采用的收缩缝填料，须适应国内各种规格尺寸的SiC棚板，要求经填缝喷表层涂料后，SiC棚板无开缝，既可防止落碴、粉尘污染，又可提高SiC棚板外观质量。
     （2）收缩缝填料既要求和SiC棚板基体有一定的烧结粘连性，又必须具备相适应的弹性模具，否则将因SiC棚板的热胀冷缩受阻，而缩短SiC棚板的使用寿命，并且造成填料脱落。
     （3）优质收缩填料的采用可提高SiC棚板的高温荷重值。
     （4）SiC棚板收缩缝填料配方优选且达到优质固然重要，但研制出简易配套实用的填缝设备和相应的工艺也同样重要，必须双管齐下。 2.2 配方原料的选择
     基于国外棚板收缩缝填料的实物分析，以及满足多组配方优选试验的需要，选用了耐火度高的 -氧化铝微粉、锆英石粉以及A矿石粉、B矿石粉等，另外添加适量的高岭土和常温粘接剂。优质配方填料用于SiC棚板，可使其在填缝、喷涂层及高温装烧产品后，形成一种和SiC棚板基体有一定烧结粘接性，合理的热膨胀系数，而且具有较高弹性模量的高温人工矿相。 -氧化铝微粉、锆英石粉和高岭土的化学成分分别见表1和表2。

表1  _α氧化铝微粉的化学成分

Table 1 Chemical composition of _α-Al₂O₃ micropowder

表2  锆英石和高岭土的化学成分

Table 2 Chemical composition of Zircon and Kaolin clay

    2.3  配方的确定

     经过多次反复试验，然后进行了四个配方的比对试验，烧后观察SiC棚板收缩缝的外观质量，其试验结果见表3。

    经过四个基本配方的填料比对试验（在一块SiC棚板的四个收缩缝中分别填入四种不同配方的填料，直接装坯试用），观察其外观质量和颜色，优选出1#配方。在1#配方的基础上，又进行了若干次优选试验，并且将填好收缩缝的SiC棚板送某瓷厂梭式窑试烧（注：SiC棚板收缩缝填料后，一面又喷涂抗氧化涂层）。样品试用几个月，棚板收缩缝填料完好，无残缺落碴现象，达到国外SiC棚板收缩缝填料的水平，可以全国用于大生产。

表3 四种收缩缝填料的结果对比

Table 3 Comparison result of four fillers for contraction points

     2.4 简易实用收缩缝填料工艺设备的研制和生产应用
     优质SiC棚板收缩缝填料配方的成功，仅仅是走完第一步，今后若要大生产上全面推广，靠手工填料搓针（细条）是不实际的。在无任何技术参考的前提下，我们自制了填料的简易加工设备。经生产使用表明，该设备实用可行。
     （1）在研制和试用收缩缝填料工艺和设备的过程中，我们曾尝试了三种不同的方案，根据试验结果，都予以放弃。
 A、由于收缩缝宽度只有数毫米，先用手旋设备，从料筒中挤压出细粉条，然后手工放条状料至收缩缝，并用竹片压紧压实，虽说可行但速度太慢不可取。
     B、做成简易压缝料设备，其简单结构是：由上部为梯形，下部为长方形（横截面）的料箱，以及连成一体的上螺旋式适配压板，下托板，简易定位器的构成；这一设备虽然可以提高压缝料速度，但填料中常温粘接剂（液状）增多，烧后必然会造成小裂缝，加工速度也不快。
     C、在上一结构的基础上螺旋加压换成铡刀工加压填缝，加工速度会有所提高，但填缝料还必须含有较多液态常温粘接剂，烧后自然形成细裂纹也影响质量。
     （2）经过探讨和实用，最后确定了以图1所示的填缝加工器，经用于大生产试用验证，效果很好。其操作如下：先把盛料加工板（约0.26kg重，结构似游标计算尺的主体，但一端为封闭性）的游动定位器移动到SiC棚板的收缩缝边沿，紧贴后，拧紧定位螺钉（注：在这一工序前，棚板放在平板玻璃上，盛料加工板中间空档对准SiC棚板收缩缝，半球对准半球，收缩缝落在加工板槽缝中部，然后按上述固定好游动定位器）；在加工权槽缝中部加入填缝料，然后使用刮料板刮料入SiC棚板收缩缝中，正面刮压一次，棚板反面又刮压一次，达到致密完整。
     3、结果与讨论
     3.1 配方料中粉体粒径和液态常温粘接剂等的影响
     SiC棚板收缩缝填料配料中引入的均为粉状原料，由于填料是在成品SiC棚板上采用，故填料质量由二个阶段所决定。第一阶段：填料工艺后，SiC棚板收缩缝中的填料需检查外观质量，是否存在微裂纹？是否和SiC棚板基体紧固粘接？挑出填缝料，看其敲开后的致密性如何？达不到第一步工艺要求和标准，第二步无从谈起。我们把不同配方料按两种类型处理：①先球磨或研磨后过100目筛，干燥后在混合细粉中加入常温粘接剂（注：加水调和，填料干燥后均会出现微裂纹，故不能采用水调料），并充分调匀。②不需加工，配方料的不同原料均按市售颗粒度加入，混合均匀后加入常温粘接剂，并充分调匀。 首先将充分干燥后的SiC棚板收缩缝填料，直接引入原料的配方料和经100目筛研磨过的配方进行外观检测，并同一配方，加入适量常温粘接剂的填缝料一一对比，发现直接引入原粉的填料质量优于经细磨工艺的填料。这是由于粗中颗粒进入棚板收缩缝后，一经干燥，SiC棚板参差不齐，毛糙的收缩缝内三边结合更紧密，颗粒和颗粒间也容易形成较强的骨架和合理的粒间空隙，SiC棚板干燥后，原粉引入的填缝料质量优良，反之，配方料越细越差。 SiC棚板收缩缝填料由于是粉状原料组成，故必须加入水或其它常温粘接剂增加可塑性和粘接性。经试验不可引入，则引入了一种液态常温粘接剂，粘接剂引入的量也必须合适，过少则缺少可塑性和粘拉接性，填缝料揉匀后其致密性也不够，反之过多，虽说是提高了可塑性和粘接性，但充分干燥后，其中的自由结合水，主要是结构水逸出，而造成微裂缝，烧后还会造成内部（收缩缝填料）结构疏松，空隙过大的状况。故经优选后，我们引入的液态常温粘接剂以15%~20%为宜，填缝工艺操作方便，干燥后收缩缝填料致密无微裂，烧后也致密无微裂，并和收缩缝内三边结合牢固。

    3.2 收缩缝填料不同配方的不同烧后结果
     作为SiC棚板收缩缝填料必须和棚板结合剂有相近的化学和矿相组成，才能性能相近并较好结合。正如众人熟知，有三种类型的结合剂：粘土结合、氧化物（活性SiO2等）结合和莫来石结合（高温自生成），故经实测和理论分析可知，SiC基体高温形成的结合相一般是莫来石、玻相、方石英或刚玉等；由于方石英是应避免的高温人工矿相（越少越好），故填料经高温使用后，应生成一定数量的莫来石、刚玉和液态玻相，并且莫来石庆以针状、和柱状出现才能构织成致密的针毡状，随着使用次数的增多，莫来石和液态玻相不断增多，其使用寿命和老化周期应和SiC棚板结合基质基本同步，换言之，优良的SiC棚板收缩缝填料应有形成莫来石、刚玉等的化学组成，在配料中应有一定的莫来石生成矿化剂，使之高温使用后能生成一定数量的交叉网状的莫来石晶体，与此同时生成少量的玻相能和棚板基全形成亚稳定性结构，并且填充于莫来石等人工晶体之间，增加结合强度和体积密度，但在不断使用过程中，玻相增加却应越少越好。另一方面，填料基质的配方设计，应尽量避免少生成方石英。基于以上的配方理论设计，我们所拟定的四个配方料中，1#配方基本符合要求，外观质量和颜色良好，经数月使用，样品收缩缝填料完好如初，目前正在投入大生产，而且经填缝料后的18吨SiC棚板已出口韩国。
     3.3 影响SiC棚板收缩缝填料的其它因素
     正如2.4节所述，手工搓细条填料，然后用压板压紧固然是一种方法，但毕竟是一种"少、慢、差、费"的落后方式，国外和我国台湾省如何进行填缝工艺，我们不得而知；但经过若干次简易加工设备的研制和试用，我们选定了简易可行的，并且能确保填料质量的自制的"填缝加工器"，经实际检验，收缩缝填料经干燥和烧后均完整、致密和光亮，和精心手工填料质量无差异，并且加工速度是手工的10倍以上。和其它的填料设备相比，速度和质量均远远超过，故加功设备也是影响填料质量的一个原因。最后还须考虑的一个因素便是SiC棚板用作烧造日用陶瓷，一般使用温度在1280~1400℃之间，故配方设计必须考虑在这一广泛的温度范围内，使填缝料都能和SiC基全有不定期的烧结粘连，莫来石等人工矿相能程度不同的生成，这就必须考虑所引入的原料应在1300℃左右能形成莫来石，同时又要考虑莫来石矿化剂的合选择和引入。总之，SiC棚板收缩缝填料，经理论设计和实际高温使用后，应能形成以莫来石为基体的高温人工矿物，并且随着使用次数的增多而增多。其热膨胀系数和弱性模量均应和SiC基体的收缩缝相适应，当SiC棚板高温受热膨胀时，填料具有较好的弹性模量，虽然处于压应力状态，但SiC棚板冷却时，因其较好的弱性模量，填料体又能无损地恢复到原先的状态。理论设计时（多元相图设计），其形成的高温复合体应具有略小于SiC棚板基体的热膨胀系数，只有这样才能使较脆的填料体基本处于压应力状态，如处于张应力则易使结构体变形损坏。
     4、结论
     （1）研制和使用大生产的SiC棚板收缩缝填料经高温使用后致密完整光亮，可克服因收缩缝的存在所形成的落渣、粉尘污染，以及上层温度波动、不均匀而影响烧制品质量的问题。
     （2）对影响SiC棚板收缩填料质量的诸因素进行了分析，例如粉体粒径和液态常温粘接剂等的影响，引入不同原料的不同配方的质量状况和分析结果。
     （3）除理论设计和配方研究外，本文笔者独立设计制作的简易"填料加器"经实践检验，使用便捷，加工填缝料质量优良。
     （4）SiC棚板收缩填料的理论，本文只作了粗浅的探讨和解析，还有待于借助现代化的检验设备和手段深入研究。